Đề tài Ứng dụng neurofuzzy trong điều khiển nhiệt độ thông qua kit AT89C52

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT TP. HCM KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI : ỨNG DỤNG NEUROFUZZY TRONG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THÔNG QUA KIT AT89C52 GVHD : LÊ TUẤN ANH SVTH : LÊ PHƯỚC THÀNH MSSV : 49600822 NIÊN KHÓA 1996 - 2001 Ưng dụng NeuroFuzzy trong điều khiển nhiệt độ GVHD : Lê Tuấn Anh Ngày 08/01/2001 SVTH : Lê Phước Thành Trang 1 LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô trong trường ĐH Kỹ Thuật đã dạy dỗ cho đến ngày hôm nay, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động. Xin chân thành cảm ơn văn phòng bộ môn, đặc biệt là cô Ngọc đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Xin chân thành cảm ơn thầy Lê Tuấn Anh, người đã gợi ý và hướng dẫn thực hiện luận văn tốt nghiệp. Và xin cảm ơn tất cả những người đã gián tiếp tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Dù đã cố rất gắng nhưng vẫn không tránh khỏi sai sót, xin được học hỏi những lời chỉ dẫn. Xin cảm ơn rất nhiều. Người thực hiện Lê Phước Thành Ưng dụng NeuroFuzzy trong điều khiển nhiệt độ GVHD : Lê Tuấn Anh Ngày 08/01/2001 SVTH : Lê Phước Thành Trang 2 LỜI TỰA Đề tài này được thực hiện trong khuôn khổ một môn học do trường ĐH Kỹ Thuật qui định với số tín chỉ là 10. Thông qua đó, sinh viên có một học kỳ để tự học, tự đánh giá khả năng của mình và trình bày thành luận văn dựa trên những hiểu biết của mình. Tên của đề tài là ứng dụng NeuroFuzzy để điều khiển nhiệt độ cho thấy đề tài không mới nhưng phương pháp điều khiển thì rất mới : đó là ứng dụng NeuroFuzzy, một lĩnh vực còn khá mới mẽ trong điều khiển tự động, là sự kết hợp của hai lĩnh vực trí khôn nhân tạo : logic mờ và mạng neuron nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai. Nhằm để chứng tỏ ưu điểm của phương pháp này, đề tài điều khiển một đối tượng cụ thể là một lò nướng dân dụng. Luận văn trình bày đề tài được chia làm 5 phần lớn :  Phần 1 : Giới thiệu.  Phần 2 : Lý thuyết.  Phần 3 : Thiết kế.  Phần 4 : Kết qua điều khiển.  Phần 5 : tài liệu tham khảo. Trong mỗi phần có nhiều chương nhỏ trải rộng từ hệ thống, phần cứng, phần mềm với tổng số trang là 183. Do lượng nội dung viết thì nhiều mà khuôn khổ luận văn có giới hạn nên chỉ trình bày các giải thuật mà không trình bày chương trình. Tuy nhiên, nếu muốn tham khảo thì sử dụng đĩa CD-ROM kèm theo có chứa chương trình nguồn lẫn chương trình đã biên dịch (cho phép cài lên máy tính). Thực ra tác giả còn muốn trình bày nhiều hơn nữa nhưng đành phải rút gọn nên không thoát khỏi tình trạng thiếu trước hụt sau. Ngoài ra, do mỗi phần được viết trong các khoản thời gian khác nhau nên không tránh khỏi vấn đề không nhất quán trong trình bày. Lối văn phong cũng không được khoa học cho lắm. Mong rằng người đọc sẽ thông cảm mà bỏ qua những thiếu sót đó. Xin chân thành cảm ơn. Ưng dụng NeuroFuzzy trong điều khiển nhiệt độ GVHD : Lê Tuấn Anh Ngày 08/01/2001 SVTH : Lê Phước Thành Trang 3 MỤC LỤC Phần 1. Giới thiệu .................................................... 9 Chương 1. Giới thiệu đề tài ..................................................... 10 1. Nhiệm vụ của đề tài.................................................................................. 11 2. Thực hiện .................................................................................................. 11 Phần 2. Lý thuyết ................................................... 12 Chương 1. Logic mờ ................................................................ 13 1. Sơ lược về logic mờ .................................................................................. 13 1.1. Quá trình phát triển của logic mờ ......................................................... 13 1.2. Cơ sở toán học của logic mờ ................................................................ 13 1.3. Logic mờ là logic của con người .......................................................... 16 1.4. So sánh logic mờ với lý thuyết xác suất thống kê ................................. 16 2. Các khái niệm dùng trong logic mờ ........................................................ 17 2.1. Tập hợp mờ và độ phụ thuộc ................................................................ 17 2.2. Hàm phụ thuộc ..................................................................................... 18 2.3. Biến ngôn ngữ ...................................................................................... 18 2.4. Luật mờ ................................................................................................ 19 3. Tính toán mờ ............................................................................................ 19 3.1. Mờ hóa ................................................................................................. 19 3.2. Tính luật mờ ......................................................................................... 19 3.3. Suy luận mờ ......................................................................................... 20 3.4. Giải mờ ................................................................................................ 21 Chương 2. Mạng Neuron ........................................................ 23 1. Sơ lược về mạng neuron .......................................................................... 23 1.1. Quá trình phát triển .............................................................................. 23 1.2. Mạng neuron là gì ? .............................................................................. 24 1.3. Cấu trúc của não ................................................................................... 24 2. Mô hình hóa mạng neuron ...................................................................... 26 2.1. Yêu cầu khi lập mô hình một neuron .................................................... 26 2.2. Lập mô hình neuron ............................................................................. 26 3. Học hỏi trong mạng neuron ..................................................................... 28 4. Giải thuật học perceptron ........................................................................ 30 4.1. Mô tả giải thuật .................................................................................... 30 4.2. Phân loại với mô hình perceptron ......................................................... 31 4.3. Tóm tắt giải thuật ................................................................................. 33 Ưng dụng NeuroFuzzy trong điều khiển nhiệt độ GVHD : Lê Tuấn Anh Ngày 08/01/2001 SVTH : Lê Phước Thành Trang 4 4.4. Hạn chế ................................................................................................ 34 4.5. Nhận xét ............................................................................................... 34 5. Giải thuật học delta .................................................................................. 35 5.1. Đạo hàm ............................................................................................... 35 5.2. Mô tả luật học delta .............................................................................. 36 5.3. Một số hàm truyền và đạo hàm của nó.................................................. 37 5.4. Tóm tắt giải thuật ................................................................................. 38 6. Giải thuật delta tổng quát ........................................................................ 39 6.1. Mô hình perceptron đa tầng .................................................................. 39 6.2. Luật học delta tổng quát ....................................................................... 39 6.3. Tóm tắt giải thuật ................................................................................. 41 7. Độ hiệu quả của mạng neuron ................................................................. 41 Chương 3. NeuroFuzzy ........................................................... 44 1. Sơ lược về NeuroFuzzy ............................................................................ 44 2. Kết hợp neuron và mờ ............................................................................. 45 2.1. Biểu diễn luật If-Then theo cấu trúc mạng neuron ................................ 45 2.2. Neuron mờ ........................................................................................... 48 3. Học hỏi trong NeuroFuzzy....................................................................... 50 3.1. Sửa đổi hàm phụ thuộc ......................................................................... 51 4. Nhận xét.................................................................................................... 54 Chương 4. Vi điều khiển ......................................................... 55 1. Vi điều khiển họ MCS-51......................................................................... 55 2. Vi điều khiển AT89C52 ........................................................................... 56 2.1. Cấu tạo chân ......................................................................................... 56 2.2. Sơ đồ khối ............................................................................................ 57 2.3. Mô tả chức năng các chân .................................................................... 57 2.4. Các thanh ghi chức năng ...................................................................... 59 2.5. Bộ nhớ dữ liệu ...................................................................................... 61 2.6. Đặc tính bộ dao động............................................................................ 62 2.7. Chế độ lười........................................................................................... 62 2.8. Chế độ hạ nguồn................................................................................... 62 2.9. Trạng thái của một số chân trong chế độ hạ nguồn và chế độ lười ........ 62 2.10. Các thông số kỹ thuật ......................................................................... 63 Chương 5. ADC ICL7109CPL ................................................ 67 1. Sơ lược các phương pháp biến đổi AD .................................................... 67 1.1. Biến đổi AD dùng bộ biến đổi DA ....................................................... 67 1.2. Bộ biến đổi Flash AD ........................................................................... 70 Ưng dụng NeuroFuzzy trong điều khiển nhiệt độ GVHD : Lê Tuấn Anh Ngày 08/01/2001 SVTH : Lê Phước Thành Trang 5 1.3. Bộ biến đổi AD theo hàm dốc dạng lên xuống ...................................... 71 1.4. Bộ biến đổi AD dùng chuyển đổi áp sang tần số ................................... 71 1.5. Bộ biến đổi AD theo tích phân hai độ dốc ............................................ 71 2. ICL7109CPL ............................................................................................ 72 2.1. Cấu tạo chân ......................................................................................... 73 2.2. Mô tả chức năng các chân .................................................................... 73 2.3. Quá trình biến đổi AD .......................................................................... 75 2.4. Lựa chọn giá trị .................................................................................... 76 2.5. Giao tiếp trực tiếp với ICL7109CPL ..................................................... 77 Chương 6. MAX232................................................................. 78 1. Chuẩn RS-232-C ...................................................................................... 78 1.1. Các đầu nối .......................................................................................... 80 1.2. Mô tả chân ........................................................................................... 80 2. MAX232 và họ IC dùng biến đổi TTLRS-232-C ................................ 81 2.1. Cấu tạo chân ......................................................................................... 81 2.2. Mô tả chức năng chân........................................................................... 81 2.3. Sơ đồ khối và mạch tiêu biểu ................................................................ 81 Chương 7. Các IC khác ........................................................... 83 1. OP07 ......................................................................................................... 83 2. MOC3020 ................................................................................................. 83 3. RAM 6264................................................................................................. 84 4. Chốt 74573 ................................................................................................ 84 5. BTA16 ....................................................................................................... 84 Chương 8. Thermocouple ....................................................... 85 1. Sơ lược về các dụng cụ đo nhiệt độ ......................................................... 85 1.1. Buổi ban đầu của thiết bị đo nhiệt độ .................................................... 85 1.2. Các loại cảm biến hiện tại..................................................................... 86 2. Thermocouple .......................................................................................... 87 2.1. Hiệu ứng Seebeck................................................................................. 87 2.2. Cách đo hiệu điện thế ........................................................................... 88 2.3. Bù nhiệt môi trường ............................................................................. 90 2.4. Các loại thermocouple .......................................................................... 90 2.5. Một số nhiệt độ chuẩn .......................................................................... 91 Phần 3. Thiết kế ..................................................... 92 Chương 1. Phần cứng .............................................................. 93 1. Cấu trúc tổng quát ................................................................................... 93 Ưng dụng NeuroFuzzy trong điều khiển nhiệt độ GVHD : Lê Tuấn Anh Ngày 08/01/2001 SVTH : Lê Phước Thành Trang 6 2. Khối xử lý trung tâm ............................................................................... 94 3. Phân vùng địa chỉ ..................................................................................... 96 4. Khối bộ nhớ và nguồn backup ................................................................ 97 5. Khối hiển thị ............................................................................................. 98 6. Khối biến đổi AD.................................................................................... 102 7. Khối cảm biến và gia công ..................................................................... 105 8. Khối bàn phím........................................................................................ 108 8.1. Chương trình con GET_KEY ............................................................. 109 8.2. Chương trình con IN_HEX................................................................. 111 9. Truyền thông nối tiếp ............................................................................ 112 10. Khối mạch công suất ............................................................................ 114 11. Nguồn cung cấp .................................................................................... 115 12. Cách cân chỉnh mạch ........................................................................... 115 13. Xử lý 16-bit trên vi điều khiển 8-bit .................................................... 118 13.1 Chương trình con cộng 16-bit ............................................................ 119 13.2. Chương trình con đổi dấu một số ...................................................... 119 13.3. Chương trình con nhân số 16-bit cho số 8-bit ................................... 119 13.4. Chương trình con chia số 16-bit cho số 8-bit .................................... 120 Chương 2. Hệ thống .............................................................. 122 1. Thiết kế hệ mờ ........................................................................................ 122 1.1. Các nguyên tắc trong thiết kế ............................................................. 122 1.2. Thiết kế hệ mờ cho điều khiển nhiệt độ .............................................. 125 1.3. Thiết kế hệ luật ................................................................................... 126 1.4. Tính luật và giải mờ ........................................................................... 127 2. Thiết kế hệ NeuroFuzzy ......................................................................... 127 2.1. Tập dữ liệu học................................................................................... 127 2.2. Thay đổi hệ mờ .................................................................................. 127 Chương 3. Phần mềm ............................................................ 129 1. Pha hoạt động ......................................................................................... 129 1.1. Khuôn dạng luật của hệ ...................................................................... 130 1.2. Giải thuật điều khiển .......................................................................... 130 1.3. Xử lý mờ ............................................................................................ 131 1.4. Tính độ phụ thuộc .............................................................................. 132 1.5. Giải mờ theo CoM .............................................................................. 136 2. Pha học ................................................................................................... 137 3. Chương trình trên kit AT89C52 ........................................................... 137 3.1. Nhập dữ liệu ....................................................................................... 139 Ưng dụng NeuroFuzzy trong điều khiển nhiệt độ GVHD : Lê Tuấn Anh Ngày 08/01/2001 SVTH : Lê Phước Thành Trang 7 3.2. Hoạt động ........................................................................................... 144 3.3 Phân bố tài nguyên .............................................................................. 145 3.4. RAM ngoại ........................................................................................ 147 4. Chương trình trên máy tính .................................................................. 149 4.1. Qui định kiểu dữ liệu .......................................................................... 150 4.2. Giới thiệu chương trình NF Control.................................................... 151 4.3. Giới thiệu chương trình fuzzyTech ..................................................... 156 4.4. Giao tiếp giữa NF Control và FuzzyTech ........................................... 160 Phần 4. Kết quả điều khiển ................................. 171 Chương 1. Điều khiển thực tế ............................................... 172 1. Điều khiển 100C ................................................................................... 173 2. Điều khiển 125C ................................................................................... 174 3. Điều khiển 150C ................................................................................... 175 4. Điều khiển 175C ................................................................................... 176 5. Điều khiển 200C ............................